面向工程教育的物聯網工程專業課程建設的探索與實踐

黃貴林 張正金 江家寶 王洪海 方 周

（巢湖學院 信息工程學院，安徽 巢湖 238024）

0 引言

物聯網系統感知識別層涉及到各式終端硬件設備，硬件建設成本是物聯網系統普及推廣的重要決定性因素。2021年，荷蘭ASML公司最新推出了新一代EUV光刻機，其極限制造精度有望達到1 nm。同時，Intel也宣布在2024年實現2 nm芯片制造，這也意味著集成電路制造工藝即將進入埃米級。集成電路技術的發展，硬件建設成本不斷下降，有利于物聯網系統的推廣應用，物聯網工程專業發展迎來新的契機。

2016年6月，我國正式加入國際上最具影響力的工程教育學位互認協議《華盛頓協議》，通過認證的工程專業的畢業生學位得到《華盛頓協議》其他組織的認可[1]。在工程教育專業認證的過程中，認證為工程教育指明了方向，切實提高工程教育質量，提高了畢業生適應社會和行業發展需求的能力[2]。工程教育專業認證的三個核心理念即以學生為中心[3]、目標導向[4]、持續改進[5]。引入工程教育，為物聯網工程專業建設提供科學指導，已經成為專業建設潮流。課程建設是專業建設的根本保證，特別是專業課程[6]。用工程教育三個核心理念引領專業課程建設，是物聯網工程專業進行工程教育的重要體現。

1 物聯網工程專業課程

1.1 課程結構

從體系結構上來說，物聯網系統分為感知識別層、網絡傳輸層和應用層，課程也可以這樣分層。應用層負責數據應用[7]，應用層課程主要涉及軟件開發。網絡傳輸層負責數據傳輸，網絡傳輸層課程主要涉及網絡建設。感知識別層負責采集數據，感知識別層課程主要涉及數據識別設備開發。感知識別層專業知識直接支撐網絡傳輸層，網絡傳輸層專業知識直接支撐應用層。感知識別層專業知識在物聯網系統開發活動中起到承上的作用，網絡傳輸層專業知識起到承上啟下的作用。

本研究專業課程是指只有物聯網工程專業開設的計算機相關課程，主要涉及感知識別層和部分網絡傳輸層，例如“RFID開發技術”“Zigbee通信原理”“傳感器原理與技術”“物聯網控制原理與技術”“定位系統”等。各高校培養方案不一，專業課程還包括其他課程。其他專業的專業課程涉及應用層課程和其余網絡傳輸層，這些課程不僅存在于物聯網工程專業當中，同時也存在于其他計算機相關專業當中，其課程教學設計已經有所研究[8-9]。專業課程即感知識別層課程和部分網絡傳輸層課程，只存在于物聯網工程專業當中，體現出物聯網工程專業與其他計算機相關專業之間的課程差別。專業課程對于學生形成完整的專業知識體系，構建物聯網系統工程思維，實現物聯網系統的協同開發[10]，解決復雜的物聯網工程問題至關重要[11]。為此，加強專業課程建設意義重大。

1.2 教學現狀

物聯網工程專業課程在教學內容、理論教學和實踐教學三個方面，普遍存在一定的問題。

（1）教學內容：物聯網專業課程涵蓋不同學科知識，綜合性強。先修課程（非專業課程或專業課程）不能強有力支撐專業課程，專業課程學習缺乏應有的知識基礎，教學內容之間缺乏連續性，沒有形成教學內容通路。專業課程不能完成預定教學目標，無法取得令人滿意的教學達成度。隨著學期的推移，專業課程目標達成度會越來越低，持續改進也將無濟于事，工程教育目標導向性得不到保障。

該問題主要體現在三個方面。第一，該開設的先修課程沒有開設；第二，先修課程開設了，但開設的學期滯后；第三，先修課程按照正確學期順序開設了，但教學內容對后續專業課程缺乏支撐，教學內容缺乏連續性。

（2）理論教學：專業課程對應各物聯網子系統，子系統工作原理是理論教學內容的主體結構，它能夠將松散的知識點有力耦合在一起，促進學生對整個課程的理解和掌握。但現有的教學研究對主體結構缺乏關注，理論教學設計對此也缺乏重視。專業課程理論教學只關注到形式上松散的教學知識點，沒有聚焦到課程對應的物聯網子系統級工作原理，學生對子系統級的工作原理缺乏掌握，影響學生對整個物聯網系統工作原理的掌握，不利于學生形成完整的課程知識體系。

只有充分掌握工作原理，才能開展物聯網系統開發，完成實踐教學的任務。

（3）實踐教學：專業課程實踐教學當中的驗證型項目較多，驗證型項目只進行驗證，學生沒有真正參與進來，學生的主體作用和創造性沒有得到發揮，沒有獲得感，自然而然對實踐教學失去了興趣，違背了工程教育以學生為中心的理念。

物聯網專業課程實踐教學項目主要是基于硬件進行編程開發。例如某課程實踐教學須要開發的模塊有A、B、C。模塊A、B、C無法單獨運行，須要相互調用形成系統，數據才能形成通路，各模塊才能正常工作。如果開發A模塊，須要依托B、C，才能導通A的數據，因此須要將B、C代碼告訴學生；如果開發B模塊，須要將A、C代碼告訴學生；如果開發C模塊，須要將A、B代碼告訴學生。在這個死循環當中，A、B、C代碼已經全部給學生了。如果不告訴學生代碼，讓學生同步開發模塊A、B、C實現整系統，實驗可行性大大降低，專業課程正在學習階段的學生基本無法完成，也不符合實踐教學循序漸進的思路。就這樣，很多實踐教學項目因此成為了驗證型項目。

2 建設內容

教學內容是人才培養目標的載體，人才培養目標體現在教學內容上，理論教學和實踐教學是落實教學內容的兩個重要途徑，如圖1所示。

圖1 專業課程建設思路

2.1 目標導向性指導教學內容確立

提出教學知識點畫布工具，將教學知識點畫布作為教學內容確立的工具，所有的教學知識點和先修教學知識點都體現在畫布上。分析得到專業課程教學內容，專業課程教學內容充分體現了人才培養目標。然后，進一步分析得到先修課程教學內容。由此，疏通了專業課程與先修課程之間的教學內容通路，專業課程擁有先修課程賦予的扎實知識基礎，從根本上消除專業課程教學達成度提高的障礙，實現工程教育目標導向性。

2.2 持續改進指導理論教學設計

在理論教學設計中提出原理模擬，模擬各專業課程對應的物聯網子系統工作原理。教學內容確立以后，分析專業課程教學內容特點。各專業課程對應各物聯網子系統，物聯網子系統工作原理是專業課程教學內容的主體結構，工作原理貫穿了專業課程的教學內容。理論教學聚焦子系統工作原理，課堂分組任務模擬物聯網子系統工作原理，原理模擬的范圍和角色可以進行調節。原理模擬加速學生知識內化。同時，模擬效果能夠充分反映學生對教學內容的掌握情況，暴露學生的學習障礙，呈現需要改進的教學問題，讓工程教育持續改進更具針對性。

2.3 以學生為中心指導實踐教學設計

在實踐教學設計中提出遞增式開發各專業課程對應的物聯網子系統。工作原理掌握以后，實踐教學具備扎實的理論基礎。對驗證型項目進行重新設計，將整個項目科學分解為最小系統和若干個模塊。實踐教學進行遞增式開發，從開發最小系統開始，向最小系統按順序增加開發模塊，系統開發由內核向外層遞增，直至完成功能完善的整系統開發。從最簡單的系統開始，在最小系統的基礎上進行開發，給學生預留了充足的創新空間。合理設置模塊開發順序，消除了非技術因素導致的難度，提高了實踐教學項目可行性，提升了學生開發自信。引導學生深度參與，充分發揮學生的積極性和創造性，突出了工程教育以學生為中心的理念。

3 建設措施

物聯網專業課程，對應物聯網各子系統，都是面向數據處理和傳輸。物聯網專業課程教學現狀中存在問題的根源具有共性，因此可以采取相同的建設措施來解決。為深入介紹專業課程建設的具體做法，將以典型的物聯網專業課程“RFID開發技術”為例。

3.1 教學內容確立

以教學知識點畫布為工具，圍繞課程目標確立教學內容。

從工程教育科學的角度，對畢業要求進行細化，得到具體的指標點。學生如果能夠滿足這些細化的畢業要求，實現具體的指標點，也就意味著能夠運用基礎科學知識、專業技術技能、管理科學等自然科學和社會科學的理論，研究和解決物聯網系統開發中的實際問題。對于專業課程來說，工程教育指標點落實在課程目標上。

（1）挖掘物聯網工程專業工程教育指標點內涵，形成課程目標。以物聯網工程專業常見的部分指標點為例，工程教育指標點涉及到語言工具、數學模型、系統模型或結構、工程知識、方案推理、方法與技能、評估、設計/開發方法、軟硬件或部件設計思路、實驗科學基本方法、現代儀器、信息技術工具、工程工具、模擬軟件。語言工具指的是什么語言工具？數學模型該怎么建立？系統模型或結構包括哪些？工程知識包括什么？方案推理的過程是什么？方法與技能的內容是什么？怎么樣去評估？有哪些基本的設計/開發方法和技術？軟硬件單元或部件的設計思路？實驗科學基本方法有哪些？有哪些現代儀器？有哪些信息技術工具、工程工具？有哪些模擬軟件并能用來干什么？加強物聯網行業調研，深入挖掘指標點的這些內涵，科學形成課程目標。

（2）設計物聯網工程專業教學知識點畫布，如表1所示。各物聯網工程專業課程（SC），表示為SC1～SCt。各先修課程（PC），表示為 PC1～PCn。集合{SC1，SC2，…，SCt} 集合{PC1，PC2，…，PCn}，物聯網專業課程也屬于其他專業課程的先修課程。專業課程目標對應宏觀教學內容，為得到微觀知識點，將課程目標劃分為課程目標點，m個目標點（OP），表示為OP1～OPm。專業課程教學知識點，用SK表示。先修課程知識點，用PK表示。目標點的內涵是知識點，在專業課程當中，邏輯關聯目標點，可以得到SK。在先修課程當中，對SK進行邏輯關聯，可以得到專業課程教學所需要的基礎知識點PK，也就是找到專業課程對先修課程的教學知識點需求PK。邏輯關聯得到知識點的過程用 f（）表示。

表1 教學知識點畫布

（3）專業課程教師完成畫布當中的SK，確立專業課程教學內容。目標點OPm在SC1上對應的教學知識點 SK（x），用 f（SC1，OPm）表示。完成畫布專業課程教學知識點填寫以后，就可以確立所有物聯網工程專業所有專業課程教學內容。通過，得到物聯網專業課程 SC1 的教學內容。

（4）專業課程教師完成畫布當中的PK，以此確立先修課程教學內容。OPm在SC1上對應的教學知識點SK（x）確立以后，該教學知識點對先修課程 PC1的教學知識點需求 SK（y），用 f（SC1，OPm，PC1）表示。完成畫布先修課程教學知識點填寫以后，就可以得到所有專業課程對所有先修課程的教學內容需求。通過，得到所有專業課程對PC1的教學內容需求，也就形成了PC1教學內容的雛形。按照同樣的方法，先修課程教師對雛形進一步邏輯關聯，可以得到先修課程PC1的教學內容。

（5）以物聯網工程專業課程“RFID開發技術”為例，先修課程包括“大學物理”“電子電路技術”“計算機組成原理”“單片機原理與技術”“JAVA程序設計”和“操作系統”。“RFID開發技術”對先修課程“大學物理”的教學內容需求包括對稱振子天線、引向天線、微帶天線、微波天線、電磁波等；對先修課程“電子電路技術”的教學內容需求包括傳輸線理論、串聯和并聯諧振電路的諧振條件、諧振特性、諧振曲線和通頻帶、品質因數等。所有先修課程和專業課程“RFID開發技術”的教學內容邏輯關聯在一起，就形成了一條教學內容通路。在教學內容確立的過程中，教師很清晰物聯網工程專業需要開設哪些專業課程，專業課程安排在哪幾個學期，專業課程教什么。

3.2 理論教學設計

模擬專業課程對應物聯網子系統的工作原理，促進知識內化，呈現需要改進的教學問題。

（1）分析專業課程教學內容特點。通過分析可知，專業課程理論教學內容的主體結構是該課程對應的物聯網子系統工作原理。因此，可以將工作原理設計成課堂分組任務，進行物聯網子系統工作原理模擬。工作原理當中的硬件模塊結構、信號處理和信號傳輸，涉及到原理模擬的角色、活動和互動。

（2）原理模擬選擇典型應用。選擇學生熟悉的技術應用案例，作為課堂分組任務進行工作原理模擬。熟悉的內容，使學生對原理模擬有一定的知識準備，能夠激發學生對原理模擬的興趣。以“RFID開發技術”為例，從數據流和控制信號流的角度，學生扮演硬件模塊，傳遞數據或控制信號卡片，模擬校園餐廳就餐刷卡當中的數據傳輸和處理過程，如圖2所示。

圖2 原理模擬

（3）原理模擬角色分配。RFID系統包括射頻振蕩器、射頻發送器、射頻接收器、放大器、信道編碼/解碼電路、數字電路、建設器、天線、RF-interface、Anti-Collision、Select-Application、ATR、Authentication Acesscontrol、Control Arithmeticunit、RAM、ROM、EEPROM等20個硬件模塊。學生扮演這些硬件模塊。

（4）原理模擬活動和互動設計。以刷卡金額數據流動為主線，每個學生流轉控制信號Control、Energy、POR、Clock 或數據 Data，完成自己的模擬任務。數據始終在數據通路上有序流動，每個學生之間傳遞的是控制信號卡片或者金額數據卡片，例如信源編碼前后的數據形式將會發生改變，數據卡片的樣式也會不斷變化。從信源編碼/解碼、信道編碼/解碼、信號調制/解調、防碰撞、身份認證、加密/解密、讀取電子標簽金額、修改電子標簽金額、建設器訪問等環節全流程模擬。

（5）課程初期進行局部模擬。學生對RFID系統的工作原理沒有完全掌握，只有局部掌握。這時，可以進行局部模擬。學生模擬20個硬件模塊當中的部分模塊，隨著課程學習的深入，將逐步擴大模擬范圍。多個局部模擬分組，可以同時進行，提高課堂效率。

（6）課程后期進行全局模擬。學生對RFID系統的工作原理已經有了完全掌握，這時可以進行全局模擬。20個學生分別模擬20個硬件模塊，學生1～學生8共同扮演的是閱讀器即刷卡機，學生9～學生20共同扮演的是電子標簽即飯卡。

（7）原理模擬促進學生知識內化。在模擬的過程當中，針對同樣一個模擬分組，每個學生輪流扮演不同的硬件模塊，提高原理模擬的效果，實現深入模擬。在布置原理模擬任務后，模擬之前，學生會做一定的準備工作，可以倒逼學生實現知識內化。

（8）模擬效果呈現學生學習障礙。原理模擬涉及的范圍廣，內容多。模擬效果能夠充分反映學生對教學內容的理解、掌握和應用情況，暴露學生的學習障礙，呈現需要改進的教學問題，使工程教育持續改進的針對性更強。

3.3 實踐教學設計

由內核向外層遞增式開發專業課程對應的物聯網子系統，引導學生深度參與。

以“RFID開發技術”中RFID系統閱讀器的開發為例，介紹遞增式開發過程。在RFID最小系統上可以實現更多的開發活動，依托物聯網系統導通并看到RFID系統通信數據，根據正確的開發順序進行模塊開發，逐步豐富RFID系統，直至實現功能完善的RFID系統。在這過程當中，整個的RFID系統開發活動由內核向外層分步有序實施，降解了實驗難度，有利于提高學生積極性，引導學生深度參與，能夠最大限度地發揮學生的創造性。如圖3所示。

圖3 遞增式開發

（1）開發RFID最小系統。類似于單片機最小系統，RFID最小系統是指能夠維持RFID系統正常工作的最小工作單元。只有RFID系統盡可能小，學生才能在RFID系統上實現更多的開發，為學生預留更多的開發空間，這是將驗證型實驗變更為設計型實驗的首先條件。

設計RFID最小系統，可以選擇低頻125KHZ的EM4095作為閱讀器，選擇EM4100作為電子標簽。EM4100內部的電路和代碼已經完全固化，基于EM4095對閱讀器進行開發。很顯然，EM4095接收EM4100發送的數據就是RFID最小系統對應的功能。

（2）最小系統嵌入到物聯網系統。完整的物聯網系統必須包含應用層、網絡傳輸層和感知識別層，RFID系統位于感知識別層。單獨的RFID系統是不能正常工作的，無法導通并看到通信數據。為此，必須在RFID系統之上增加網絡傳輸層和應用層，將RFID系統嵌入到物聯網系統。構建功能完整的物聯網系統，才能看到RFID系統的通信數據，整個實驗才能順利進行。

第一個問題，選擇網絡傳輸層實現技術。實踐教學選擇ZigBee作為網絡傳輸層通信技術。ZigBee在物聯網系統當中廣泛使用的短距離無線通信技術，CC2530提供了強大和完整的ZigBee RF4CE遠程控制解決方案。因此選擇基于CC2530的ZigBee通信協議，實現網絡傳輸層的功能。CC2530連接 EM4095，通過 P1.2、P1.3、P1.4 分別連接 EM4095的 MOD、DMOD_OUT、SHD 端口，RFID 最小系統作為物聯網系統的感知識別層，采集EM4100電子標簽數據。

第二個問題，選擇應用層實現技術。CC2530作為物聯網系統控制器，可以連接LCD顯示器，顯示RFID系統的通信數據，作為物聯網系統應用層。

（3）設置模塊開發順序。根據功能完善RFID系統的正常通信流程，正確設計開發順序。假如RFID通信數據傳輸路徑依次為電子標簽、模塊1、模塊2、模塊3、模塊4、RFID最小系統的閱讀器，開發順序和傳輸路徑是相反的過程，那么模塊開發的正確順序為模塊4、模塊3、模塊2、模塊1。只有這樣，RFID系統上數據才能形成通路，才能正常傳輸，這是實驗完成的保障。

（4）遞增式開發RFID系統。按照以上順序原理，在RFID最小系統的閱讀器基礎上，依次設計開發以下模塊：防碰撞技術、信道編碼技術、RFID加密技術、EPC技術、校園卡技術有關功能。隨著實踐教學的深入進行，逐步完成一個功能豐富完整的RFID系統，將驗證型項目扭轉為設計型項目。在這過程當中，RFID系統的規模不斷增加。

4 結語

專業課程是物聯網工程專業人才培養的決定性課程，加強對專業課程的建設意義重大。首先，提出了教學知識點畫布作為教學內容確立的工具，并給出了教學內容確立的方法。教學內容確立，有工具，有方法。先修課程教學內容是為專業課程教學內容做知識鋪墊，專業課程教學內容體現了人才培養目標。只有全面落實專業課程教學內容，才能實現工程教育目標導向性。其次，提出了原理模擬作為理論教學設計，聚焦教學內容主體結構。工作原理作為教學內容的主體結構，貫穿了整個專業課程的教學內容。模擬各專業課程對應的物聯網子系統工作原理，促進學生知識內化，同時模擬效果能夠暴露學生學習障礙，呈現需要改進的教學問題。原理模擬發現教學問題，工程教育持續改進解決教學問題。最后，提出了遞增式開發作為實踐教學設計，充分解決了實踐教學項目驗證型的問題。以最小系統為基礎，由內核向外層逐步開發實現各專業課程對應的物聯網子系統。遞增式開發，有計劃，有步驟，消除了非技術因素導致的難度，提升學生開發自信，引導學生深度參與實踐教學，突出工程教育以學生為中心。

用工程教育理念指導專業課程建設，提高了專業課程建設的科學性。在一定程度上，本研究從根本上回答了教什么、理論教學和實踐教學怎樣教的問題，能夠科學指導專業課程教學大綱編制和物聯網工程專業人才培養方案制定，有利于提高物聯網工程專業人才培養質量。